문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

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201문제 · 10 / 11쪽

181.CLP-2 · 2.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

구간 1≤x≤e1 \le x\le e 에서 함수 y=x2log⁡xy= x^2\log x 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of the function y=x2log⁡xy= x^2\log x on the interval 1≤x≤e1 \le x\le e.

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정의에 따라 평균은

1e−1∫1ex2log⁡x dxTo antidifferentiate, we use integration by parts with u=log⁡x and dv=x2 dx, hence du=1x dx and v=13x3.1e−1∫1ex2log⁡x dx=1e−1([13x3log⁡x]1e−∫1e13x2 dx)=1e−1[x33log⁡x−x39]x=1x=e=1e−1[e33−e39+19]=1e−1[29e3+19]\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x & \\ \text{To antidifferentiate, we use integration by parts with $u=\log x$ and $\mathrm{d}v=x^2\,\mathrm{d}x$, hence $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ and $v=\frac{1}{3}x^3$.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x&= \frac{1}{e-1}\left(\left[\frac{1}{3}x^3\log x\right]_1^e - \int_1^e \frac{1}{3}x^2\,\mathrm{d}x \right) \\&= \frac{1}{e-1}\bigg[\frac{x^3}{3}\log x-\frac{x^3}{9}\bigg]_{x=1}^{x=e}\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{e^3}{3}-\frac{e^3}{9}+\frac{1}{9}\bigg]\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{2}{9}e^3+\frac{1}{9}\bigg] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average is

1e−1∫1ex2log⁡x dxTo antidifferentiate, we use integration by parts with u=log⁡x and dv=x2 dx, hence du=1x dx and v=13x3.1e−1∫1ex2log⁡x dx=1e−1([13x3log⁡x]1e−∫1e13x2 dx)=1e−1[x33log⁡x−x39]x=1x=e=1e−1[e33−e39+19]=1e−1[29e3+19]\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x & \\ \text{To antidifferentiate, we use integration by parts with $u=\log x$ and $\mathrm{d}v=x^2\,\mathrm{d}x$, hence $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ and $v=\frac{1}{3}x^3$.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x&= \frac{1}{e-1}\left(\left[\frac{1}{3}x^3\log x\right]_1^e - \int_1^e \frac{1}{3}x^2\,\mathrm{d}x \right) \\&= \frac{1}{e-1}\bigg[\frac{x^3}{3}\log x-\frac{x^3}{9}\bigg]_{x=1}^{x=e}\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{e^3}{3}-\frac{e^3}{9}+\frac{1}{9}\bigg]\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{2}{9}e^3+\frac{1}{9}\bigg] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 28번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
182.CLP-2 · 2.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

구간 0≤x≤π20\le x\le\frac\pi2 에서 함수 f(x)=3cos⁡3x+2cos⁡2xf(x) = 3\cos^3x + 2\cos^2x 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of the function f(x)=3cos⁡3x+2cos⁡2xf(x) = 3\cos^3x + 2\cos^2x on the interval 0≤x≤π20\le x\le\frac\pi2.

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정답·풀이 보기

정의에 따라, 구하는 평균값은 다음과 같다.

1π/2−0∫0π/2(3cos⁡3x+2cos⁡2x) dx=2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)\frac1{\pi/2-0} \int_0^{\pi/2} ( 3\cos^3x + 2\cos^2x ) \,\mathrm{d}x = \frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg)

첫 번째 적분에서는 치환 u=sin⁡xu = \sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x=1-\sin^2 x = 1-u^2 을 사용한다. 적분 구간의 양 끝 x=0x=0 과 x=π2x=\frac\pi2 는 각각 u=0u=0 과 u=1u=1 로 바뀜에 유의한다.

∫0π/23cos⁡3x dx=∫0π/23cos⁡2xcos⁡x dx=∫013(1−u2) du=(3u−u3)∣01=2.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} 3 \cos^3x \,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} 3 \cos^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^{1} 3(1-u^2) \,\mathrm{d}u \\ &= (3u-u^3)\Big|_0^1 = 2. \end{aligned}

두 번째 적분에서는 삼각함수 항등식 cos⁡2x dx=1+cos⁡(2x)2\cos^2x\,\mathrm{d}x = \frac{1 + \cos(2x)}{2} 을 사용한다.

2∫0π/2cos⁡2x dx=∫0π/2(1+cos⁡(2x)) dx=[x+12sin⁡(2x)]0π/2=π2\begin{aligned} 2 \int_0^{\pi/2} \cos^2x\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} \big(1 + \cos(2x) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \bigg[ x + \frac{1}{2}\sin(2x) \bigg]_0^{\pi/2} = \frac\pi2 \end{aligned}

따라서 구하는 평균값은 다음과 같다.

2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)=2π(2+π2)=4π+1.\frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg) = \frac2\pi \bigg( 2 + \frac\pi2 \bigg) = \frac{4}{\pi}+1.

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value in question equals

1π/2−0∫0π/2(3cos⁡3x+2cos⁡2x) dx=2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)\frac1{\pi/2-0} \int_0^{\pi/2} ( 3\cos^3x + 2\cos^2x ) \,\mathrm{d}x = \frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg)

For the first integral we use the substitution u=sin⁡xu = \sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x=1-\sin^2 x = 1-u^2. Note that the endpoints x=0x=0 and x=π2x=\frac\pi2 become u=0u=0 and u=1u=1, respectively.

∫0π/23cos⁡3x dx=∫0π/23cos⁡2xcos⁡x dx=∫013(1−u2) du=(3u−u3)∣01=2.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} 3 \cos^3x \,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} 3 \cos^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^{1} 3(1-u^2) \,\mathrm{d}u \\ &= (3u-u^3)\Big|_0^1 = 2. \end{aligned}

For the second integral we use the trigonometric identity cos⁡2x dx=1+cos⁡(2x)2\cos^2x\,\mathrm{d}x = \frac{1 + \cos(2x)}{2}.

2∫0π/2cos⁡2x dx=∫0π/2(1+cos⁡(2x)) dx=[x+12sin⁡(2x)]0π/2=π2\begin{aligned} 2 \int_0^{\pi/2} \cos^2x\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} \big(1 + \cos(2x) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \bigg[ x + \frac{1}{2}\sin(2x) \bigg]_0^{\pi/2} = \frac\pi2 \end{aligned}

Therefore, the average value in question is

2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)=2π(2+π2)=4π+1.\frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg) = \frac2\pi \bigg( 2 + \frac\pi2 \bigg) = \frac{4}{\pi}+1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 8번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
183.CLP-2 · 2.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

kk 를 양의 상수라 하자. 구간 0≤x≤π/k0\le x\le \pi/k 에서 함수 f(x)=sin⁡(kx)f(x) = \sin(kx) 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let kk be a positive constant. Find the average value of the function f(x)=sin⁡(kx)f(x) = \sin(kx) on the interval 0≤x≤π/k0\le x\le \pi/k.

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정답·풀이 보기

정의에 따라, 구하는 평균값은 다음과 같다.

Ave=1π/k−0∫0π/ksin⁡(kx) dx\text{Ave}=\frac1{\pi/k-0} \int_0^{\pi/k} \sin(kx) \,\mathrm{d}x

이 적분을 계산하기 위해 치환 u=kxu = kx, du=k dx\mathrm{d}u=k\,\mathrm{d}x 를 사용한다. 적분 구간의 양 끝 x=0x=0 과 x=π/kx=\pi/k 는 각각 u=0u=0 과 u=πu=\pi 로 바뀜에 유의한다. 따라서

Ave=kπ∫0πsin⁡(u) duk=1π[−cos⁡(u)]0π=2π\begin{aligned} \text{Ave}=\frac{k}{\pi} \int_0^\pi \sin(u) \,\frac{\mathrm{d}u}{k} =\frac{1}{\pi}\Big[-\cos(u)\Big]_0^\pi =\frac{2}{\pi} \end{aligned}

참고: 평균값은 kk 에 의존하지 않는다. 그 이유를 보기 위해, xx 가 변할 때 sin⁡(kx)\sin(kx) 는 −1-1 과 11 사이의 값을 가짐에 주목하자. x=0x=0 일 때 kx=0kx=0 이고, x=π/kx=\pi/k 일 때 kx=πkx=\pi 이다. 따라서 함수 sin⁡(kx)\sin (kx) 는 sin⁡0=0\sin 0 =0 에서 sin⁡(π/2)=1\sin(\pi/2)=1 까지 올라갔다가, 다시 sin⁡π=0\sin\pi=0 까지 내려온다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value in question equals

Ave=1π/k−0∫0π/ksin⁡(kx) dx\text{Ave}=\frac1{\pi/k-0} \int_0^{\pi/k} \sin(kx) \,\mathrm{d}x

To evaluate the integral, we use the substitution u=kxu = kx, du=k dx\mathrm{d}u=k\,\mathrm{d}x. Note that the endpoints x=0x=0 and x=π/kx=\pi/k become u=0u=0 and u=πu=\pi, respectively. So

Ave=kπ∫0πsin⁡(u) duk=1π[−cos⁡(u)]0π=2π\begin{aligned} \text{Ave}=\frac{k}{\pi} \int_0^\pi \sin(u) \,\frac{\mathrm{d}u}{k} =\frac{1}{\pi}\Big[-\cos(u)\Big]_0^\pi =\frac{2}{\pi} \end{aligned}

Remark: the average does not depend on kk. To see why this is, note that sin⁡(kx)\sin(kx) runs between −1-1 and 11 as xx changes. When x=0x=0, kx=0kx=0, and when x=π/kx=\pi/k, kx=πkx=\pi. So, our function sin⁡(kx)\sin (kx) runs exactly from sin⁡0=0\sin 0 =0 to sin⁡(π/2)=1\sin(\pi/2)=1, then back down to sin⁡π=0\sin\pi=0.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 11번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
184.CLP-2 · 2.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

길이가 3 m인 막대에서, 막대의 왼쪽 끝으로부터 xx m 떨어진 지점의 섭씨 온도는 함수 T(x)=8016−x2T(x)=\frac{80}{16-x^2} 으로 주어진다. 막대의 평균 온도를 구하세요.

영어 원문 보기

The temperature in Celsius in a 3 m long rod at a point xx metres from the left end of the rod is given by the function T(x)=8016−x2T(x)=\frac{80}{16-x^2}. Determine the average temperature in the rod.

정답·풀이 보기

정의에 따라 평균 온도는 13∫03T(x) dx=13∫038016−x2 dx\frac{1}{3}\int_0^3 T(x)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x 뚜렷한 치환은 보이지 않지만, 피적분함수는 유리함수이다. 분자의 차수가 분모의 차수보다 작으므로 분모를 인수분해하여 부분분수분해를 이용한다.

8016−x2=80(4−x)(4+x)=A4−x+B4+x80=A(4+x)+B(4−x) x=4 를 대입하면 80=8A 이므로 A=10 이다. x=−4 를 대입하면 80=8B 이므로 B=10 이다. 13∫038016−x2 dx=13∫0380(4−x)(4+x) dx=13∫03[104−x+104+x] dx=13∫03[−10x−4+104+x] dx=103[−log⁡∣x−4∣+log⁡∣x+4∣]03=103log⁡∣x+4x−4∣∣03=103[log⁡7−log⁡1]=103log⁡7 섭씨 도\begin{aligned} \frac{80}{16-x^2}&=\frac{80}{(4-x)(4+x)} = \frac{A}{4-x}+\frac{B}{4+x}\\ 80&=A(4+x)+B(4-x) \\ \text{ $x=4$ 를 대입하면 $80=8A$ 이므로 $A=10$ 이다. $x=-4$ 를 대입하면 $80=8B$ 이므로 $B=10$ 이다. } \\ \frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x&=\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{(4-x)(4+x)}\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[\frac{ 10}{4-x}+\frac{ 10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[-\frac{10}{x-4}+\frac{10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{10}{3}\Big[-\log|x-4|+\log|x+4|\Big]_0^3 \\ &=\frac{10}{3}\log\Big|\frac{x+4}{x-4}\Big|\bigg|_0^3 =\frac{10}{3}[\log 7-\log 1] \\ &=\frac{10}{3}\log 7\quad\text{ 섭씨 도} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average temperature is 13∫03T(x) dx=13∫038016−x2 dx\frac{1}{3}\int_0^3 T(x)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x We don't see an obvious substitution, but integrand is a rational function. The degree of the numerator is strictly less than the degree of the denominator, so we factor the denominator and use a partial fraction decomposition.

8016−x2=80(4−x)(4+x)=A4−x+B4+x80=A(4+x)+B(4−x) Setting x=4, we see 80=8A, so A=10. Setting x=−4, we see 80=8B, so B=10. 13∫038016−x2 dx=13∫0380(4−x)(4+x) dx=13∫03[104−x+104+x] dx=13∫03[−10x−4+104+x] dx=103[−log⁡∣x−4∣+log⁡∣x+4∣]03=103log⁡∣x+4x−4∣∣03=103[log⁡7−log⁡1]=103log⁡7 degrees Celsius\begin{aligned} \frac{80}{16-x^2}&=\frac{80}{(4-x)(4+x)} = \frac{A}{4-x}+\frac{B}{4+x}\\ 80&=A(4+x)+B(4-x) \\ \text{ Setting $x=4$, we see $80=8A$, so $A=10$. Setting $x=-4$, we see $80=8B$, so $B=10$. } \\ \frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x&=\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{(4-x)(4+x)}\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[\frac{ 10}{4-x}+\frac{ 10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[-\frac{10}{x-4}+\frac{10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{10}{3}\Big[-\log|x-4|+\log|x+4|\Big]_0^3 \\ &=\frac{10}{3}\log\Big|\frac{x+4}{x-4}\Big|\bigg|_0^3 =\frac{10}{3}[\log 7-\log 1] \\ &=\frac{10}{3}\log 7\quad\text{ degrees Celsius} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 5번
# 함수의 평균값활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
185.CLP-2 · 2.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

구간 [1,e][1,e] 에서 함수 f(x)=log⁡xxf(x)=\dfrac{\log x}{x} 의 평균값은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

What is the average value of the function f(x)=log⁡xxf(x)=\dfrac{\log x}{x} on the interval [1,e][1,e]?

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정의에 따라 평균값은

1e−1∫1elog⁡xx dx적분하기 위해 치환 u=log⁡x, du=1x dx 를 이용한다. 그러면 적분 구간의 아래끝과 위끝은 각각 0과 1이 된다.1e−1∫1elog⁡xx dx=1e−1∫01u du=1e−1[u22]01=12(e−1)\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& \\ \text{적분하기 위해 치환 $u=\log x$, $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ 를 이용한다. 그러면 적분 구간의 아래끝과 위끝은 각각 0과 1이 된다.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& =\frac{1}{e-1}\int_0^1u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{u^2}{2}\bigg]_0^1 =\frac{1}{2(e-1)} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value is

1e−1∫1elog⁡xx dxTo integrate, we use the substitution u=log⁡x, du=1x dx. Then the limits of integration become 0 and 1, respectively.1e−1∫1elog⁡xx dx=1e−1∫01u du=1e−1[u22]01=12(e−1)\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& \\ \text{To integrate, we use the substitution $u=\log x$, $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$. Then the limits of integration become 0 and 1, respectively.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& =\frac{1}{e-1}\int_0^1u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{u^2}{2}\bigg]_0^1 =\frac{1}{2(e-1)} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 4번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
186.CLP-2 · 2.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

0≤x≤2π0\le x\le 2\pi 에서 f(x)=cos⁡2(x)f(x)=\cos^2(x) 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of f(x)=cos⁡2(x)f(x)=\cos^2(x) over 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi.

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정의에 따라 평균값은 다음과 같다.

12π∫02πcos⁡2x dx=12π⋅12∫02π(cos⁡(2x)+1) dx=14π[sin⁡(2x)2+x]02π=14π⋅2π=12\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\cos^2x\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2\pi}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{2\pi}\big(\cos(2x)+1\big)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{4\pi}\Big[\frac{\sin(2x)}{2}+x\Big]_0^{2\pi} =\frac{1}{4\pi}\cdot 2\pi =\frac{1}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value is:

12π∫02πcos⁡2x dx=12π⋅12∫02π(cos⁡(2x)+1) dx=14π[sin⁡(2x)2+x]02π=14π⋅2π=12\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\cos^2x\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2\pi}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{2\pi}\big(\cos(2x)+1\big)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{4\pi}\Big[\frac{\sin(2x)}{2}+x\Big]_0^{2\pi} =\frac{1}{4\pi}\cdot 2\pi =\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 9번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
187.CLP-2 · 2.2절 · 14번대학 수준우리말 번역

어느 지역의 1년 동안 공기 중 이산화탄소 농도는 C(t)=400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)C(t) = 400+50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right) 백만분율(ppm)로 근사된다. 여기서 tt는 시간 단위로 측정한다.

(a) 그 지역의 그해 평균 이산화탄소 농도는 얼마입니까? (b) 첫째 날의 평균 농도는 얼마입니까? (c) 측정을 매일 정오에만 했다고 하자. 즉 t=12+24nt=12+24n 일 때만 측정했고, 여기서 nn은 0 이상 364 이하의 임의의 정수이다. 그러면 하루 중의 변화는 사라진다: 50cos⁡((12+24n)12π)=50cos⁡(π+2πn)=50cos⁡π=−5050\cos\left(\frac{(12+24n)}{12}\pi\right) = 50\cos\left(\pi+2\pi n\right) = 50\cos\pi=-50. 따라서 대기 중 이산화탄소 농도의 근삿값은 다음과 같이 나타낼 수 있다. N(t)=350+200cos⁡(t4380π) ppmN(t) = 350 +200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\quad\text{ ppm} C(t)C(t) 대신 N(t)N(t)를 사용할 때 연평균 이산화탄소 농도에 생기는 상대오차는 얼마입니까?

하루는 정확히 24시간, 1년은 정확히 8760시간이라고 가정해도 됩니다.

영어 원문 보기

The carbon dioxide concentration in the air at a particular location over one year is approximated by C(t)=400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)C(t) = 400+50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right) parts per million, where tt is measured in hours.

(a) What is the average carbon dioxide concentration for that location for that year? (b) What is the average over the first day? (c) Suppose measurements were only made at noon every day: that is, when t=12+24nt=12+24n, where nn is any whole number between 0 and 364. Then the daily variation would cease: 50cos⁡((12+24n)12π)=50cos⁡(π+2πn)=50cos⁡π=−5050\cos\left(\frac{(12+24n)}{12}\pi\right) = 50\cos\left(\pi+2\pi n\right) = 50\cos\pi=-50. So, the approximation for the concentration of carbon dioxide in the atmosphere might be given as N(t)=350+200cos⁡(t4380π) ppmN(t) = 350 +200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\quad\text{ ppm} What is the relative error in the yearly average concentration of carbon dioxide involved in using N(t)N(t), instead of C(t)C(t)?

You may assume a day has exactly 24 hours, and a year has exactly 8760 hours.

정답·풀이 보기

문제에 답하기 전에 주어진 함수를 조금 더 자세히 살펴보자. 항 50cos⁡(t12π)50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)의 주기는 24시간이고, 항 200cos⁡(t4380π)200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)의 주기는 1년이다. 따라서 앞의 항은 하루 중의 일반적인 변화를 나타내고, 뒤의 항은 1년에 걸친 계절별 변화를 나타낸다.

(a) 평균의 정의를 이용하면, 1년(t=0t=0부터 87608760까지) 동안의 평균 농도는 다음과 같다.

18760∫08760(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=18760∫08760400 dt+508760∫08760cos⁡(t12π) dt+2008760∫08760cos⁡(t4380π) dt=400+5876[12πsin⁡(t12π)]08760+5219[4380πsin⁡(t4380π)]08760876012=730은 짝수이므로 sin⁡(876012π)=sin⁡(0)=0이다. 또한 sin⁡(87604380π)=sin⁡(2π)=0이다. =400+5876(0)+5219(0)=400 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{8760}\int_0^{8760}\left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{8760}\int_0^{8760}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t + \frac{200}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t\\ &= 400 + \frac{5}{876}\left[\frac{12}{\pi}\sin\left(\frac{t}{12}\pi\right)\right]_0^{8760}+ \frac{5}{219}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{8760} \\ \text{$\frac{8760}{12} = 730$은 짝수이므로 $\sin\left(\frac{8760}{12}\pi\right)=\sin(0)=0$이다. 또한 $\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)=\sin(2\pi)=0$이다. } \\ &=400+ \frac{5}{876}(0) + \frac{5}{219}(0)\\ &=400\quad\text{ ppm} \end{aligned}

참고: 적분에서 빨간색과 파란색으로 표시된 부분은, 피적분함수가 정수 번의 주기를 지난다는 점에 주목해도 된다. 한 주기마다 곡선과 xx축 사이의 부호 있는 넓이의 합은 0이므로, 처음부터 이 항들이 최종 평균에 0을 더한다는 것을 알 수 있다.

(b) 평균의 정의를 이용하면, 첫째 날(t=0t=0부터 t=24t=24까지) 동안의 평균 농도는 다음과 같다.

124∫024(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=124∫024400 dt+5024∫024cos⁡(t12π) dt+20024∫024cos⁡(t4380π) dtt=0부터 t=24까지는 빨간색 피적분함수의 꼭 한 주기이므로 빨간색 적분의 값은 0이다. 그러나 t=0부터 t=24까지는 파란색 피적분함수의 한 주기보다 짧으므로, 이 항은 평균에 0이 아닌 값을 더할 것으로 예상할 수 있다.=400+0+20024[4380πsin⁡(t4380π)]024=400+253⋅4380πsin⁡(244380π)=400+253⋅4380πsin⁡(2365π)≈400+199.99=599.99 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{24}\int_0^{24} \left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{24}\int_0^{24}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t+ \frac{200}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t \\ \text{$t=0$부터 $t=24$까지는 빨간색 피적분함수의 꼭 한 주기이므로 빨간색 적분의 값은 0이다. 그러나 $t=0$부터 $t=24$까지는 파란색 피적분함수의 한 주기보다 \textit{짧으므로}, 이 항은 평균에 0이 아닌 값을 더할 것으로 예상할 수 있다.} \\ &=400+ 0 + \frac{200}{24}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{24}\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{24}{4380}\pi\right)\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{2}{365}\pi\right)\\ &\approx 400+199.99\\ &=599.99 \quad\text{ ppm} \end{aligned}

참고: C(0)=400+50+200C(0) = 400+ 50+ 200이다. 빨간색 항은 하루 중의 변화에서 나오며, 첫째 날 동안 이 항의 평균은 0이다. 파란색 항은 계절별 변화에서 나오는데, 이는 1년 전체에 걸쳐서는 크게 변하지만 하루 동안에는 그다지 많이 변하지 않는다. 따라서 첫째 날의 평균 농도가 (정확히는 아니지만) 400+200400+200 ppm에 가까운 것은 타당하다.

(c) [0,8760][0,8760]에서 N(t)N(t)의 평균은 다음과 같다.

18760∫08760(350+200cos⁡(t4380π)) dt=350+2008760[4380πsin⁡(t4380π)]08760=350+2008760[4380πsin⁡(87604380π)]=350+100πsin⁡(2π)=350\begin{aligned} \frac{1}{8760}\int_0^{8760} \left ( 350+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t&=350 + \frac{200}{8760}\bigg[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\bigg]_0^{8760} \\&=350+\frac{200}{8760}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)\right]\\ &=350+\frac{100}{\pi}\sin\left(2\pi\right)\\&=350 \end{aligned}

C(t)C(t)의 평균이 400이었으므로, 절대오차는 ∣400−350∣=50|400-350|=50 ppm이고 상대오차는 50400=0.125,\frac{50}{400} = 0.125, 즉 12.5%이다.

다시 말해, 하루 중 계속 측정하지 않고 매일 같은 시각에 측정하면 연평균 이산화탄소 농도에 12.5%의 오차가 생긴다.

원본 교재 풀이(영어)

Before we start answering questions, let's look at our function a little more carefully. The term 50cos⁡(t12π)50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right) has a period of 24 hours, while the term 200cos⁡(t4380π)200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right) has a period of one year. So, the former term describes a standard daily variation, while the latter gives a seasonal variation over the year.

(a) Using the definition of an average, the average concentration over one year (t=0t=0 to 87608760) is:

18760∫08760(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=18760∫08760400 dt+508760∫08760cos⁡(t12π) dt+2008760∫08760cos⁡(t4380π) dt=400+5876[12πsin⁡(t12π)]08760+5219[4380πsin⁡(t4380π)]08760Since 876012=730, which is even, sin⁡(876012π)=sin⁡(0)=0. Also, sin⁡(87604380π)=sin⁡(2π)=0. =400+5876(0)+5219(0)=400 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{8760}\int_0^{8760}\left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{8760}\int_0^{8760}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t + \frac{200}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t\\ &= 400 + \frac{5}{876}\left[\frac{12}{\pi}\sin\left(\frac{t}{12}\pi\right)\right]_0^{8760}+ \frac{5}{219}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{8760} \\ \text{Since $\frac{8760}{12} = 730$, which is even, $\sin\left(\frac{8760}{12}\pi\right)=\sin(0)=0$. Also, $\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)=\sin(2\pi)=0$. } \\ &=400+ \frac{5}{876}(0) + \frac{5}{219}(0)\\ &=400\quad\text{ ppm} \end{aligned}

Remark: for the portions of the integral in red and blue, we also could have noticed that the integrand goes through a whole (integer) number of periods. For every period, the net signed area between the curve and the xx-axis is zero, so we could have seen from the very beginning these terms would contribute 0 to the final average.

(b) Using the definition of an average, the average concentration over the first day (t=0t=0 to t=24t=24) is:

124∫024(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=124∫024400 dt+5024∫024cos⁡(t12π) dt+20024∫024cos⁡(t4380π) dtNote t=0 to t=24 is one complete period for the integrand in red, so the red integral will evaluate to zero. However, t=0 to t=24 is less than one cycle for the integrand in blue, so we expect this will contribute some non-zero quantity to the average.=400+0+20024[4380πsin⁡(t4380π)]024=400+253⋅4380πsin⁡(244380π)=400+253⋅4380πsin⁡(2365π)≈400+199.99=599.99 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{24}\int_0^{24} \left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{24}\int_0^{24}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t+ \frac{200}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t \\ \text{Note $t=0$ to $t=24$ is one complete period for the integrand in red, so the red integral will evaluate to zero. However, $t=0$ to $t=24$ is \textit{less} than one cycle for the integrand in blue, so we expect this will contribute some non-zero quantity to the average.} \\ &=400+ 0 + \frac{200}{24}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{24}\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{24}{4380}\pi\right)\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{2}{365}\pi\right)\\ &\approx 400+199.99\\ &=599.99 \quad\text{ ppm} \end{aligned}

Remark: C(0)=400+50+200C(0) = 400+ 50+ 200. The red term comes from the daily variation, and over the first day this will have an average of 0. The blue term comes from the seasonal variation, which changes dramatically over the course of an entire year but won't change very much over the course of a single day. So, it is reasonable that the average concentration over the first day should be close to (but not exactly) 400+200400+200 ppm.

(c) The average of N(t)N(t) over [0,8760][0,8760] is:

18760∫08760(350+200cos⁡(t4380π)) dt=350+2008760[4380πsin⁡(t4380π)]08760=350+2008760[4380πsin⁡(87604380π)]=350+100πsin⁡(2π)=350\begin{aligned} \frac{1}{8760}\int_0^{8760} \left ( 350+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t&=350 + \frac{200}{8760}\bigg[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\bigg]_0^{8760} \\&=350+\frac{200}{8760}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)\right]\\ &=350+\frac{100}{\pi}\sin\left(2\pi\right)\\&=350 \end{aligned}

Since the average of C(t)C(t) was 400, this gives us an absolute error of ∣400−350∣=50|400-350|=50 ppm, for a relative error of 50400=0.125,\frac{50}{400} = 0.125, or 12.5%.

That is: sampling at the same time every day, rather than throughout the day, lead to an error of 12.5% in the yearly average concentration of carbon dioxide.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 10번
# 함수의 평균값활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
188.CLP-2 · 2.2절 · 23번대학 수준우리말 번역

f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+c 라 하자. 구간 [0,1][0,1] 에서 f(x)f(x) 의 평균값이 f(0)f(0) 과 f(1)f(1) 의 평균과 같을 때, aa 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+c, and the average value of f(x)f(x) on the interval [0,1][0,1] is the same as the average of f(0)f(0) and f(1)f(1). What is aa?

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정답·풀이 보기

문제에서 11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2\frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{f(0)+f(1)}{2} 임을 알 수 있다. 이때 f(0)=cf(0)=c 이고 f(1)=a+b+cf(1) = a+b+c 이다.

11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2=c+(a+b+c)2∫01(ax2+bx+c) dx=a+b+2c2[a3x3+b2x2+cx]01=a2+b2+ca3+b2+c=a2+b2+ca3=aa=0\begin{aligned} \frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x &= \frac{f(0)+f(1)}{2} = \frac{c+(a+b+c)}{2}\\ \int_0^1 \big(ax^2+bx+c \big)\,\mathrm{d}x&=\frac{a+b+2c}{2}\\ \left[\frac{a}{3}x^3+\frac{b}{2}x^2+cx \right]_0^1&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c \\\frac{a}{3}+\frac{b}{2}+c&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c\\ \frac{a}{3}&=a\\ a&=0 \end{aligned}

즉, f(x)f(x) 는 일차함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

The question tells you 11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2\frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{f(0)+f(1)}{2}. Note f(0)=cf(0)=c, and f(1)=a+b+cf(1) = a+b+c.

11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2=c+(a+b+c)2∫01(ax2+bx+c) dx=a+b+2c2[a3x3+b2x2+cx]01=a2+b2+ca3+b2+c=a2+b2+ca3=aa=0\begin{aligned} \frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x &= \frac{f(0)+f(1)}{2} = \frac{c+(a+b+c)}{2}\\ \int_0^1 \big(ax^2+bx+c \big)\,\mathrm{d}x&=\frac{a+b+2c}{2}\\ \left[\frac{a}{3}x^3+\frac{b}{2}x^2+cx \right]_0^1&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c \\\frac{a}{3}+\frac{b}{2}+c&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c\\ \frac{a}{3}&=a\\ a&=0 \end{aligned}

That is, f(x)f(x) is linear.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.5절 · 60번
# 함수의 평균값계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
189.CLP-2 · 2.2절 · 25번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 가 구간 [a,b][a,b] 의 모든 수에서 정의된 함수이고, 이 구간에서의 평균값이 AA 라 하자. 구간 [a,b][a,b] 에서 f(a+b−x)f(a+b-x) 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a function defined for all numbers in the interval [a,b][a,b], with average value AA over that interval. What is the average of f(a+b−x)f(a+b-x) over the interval [a,b][a,b]?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

구간 [a,b][a,b] 에서 함수 g(x)=f(a+b−x)g(x)=f(a+b-x) 는 함수 f(x)f(x) 의 좌우를 뒤집은 것이며, g(a)=f(b)g(a)=f(b) 이고 g(b)=f(a)g(b)=f(a) 이다. 따라서 ∫abf(a+b−x) dx=∫abf(x) dx\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 이고, 그러므로 1b−a∫abf(a+b−x) dx=1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 이므로, [a,b][a,b] 에서 f(a+b−x)f(a+b-x) 의 평균값은 AA 이다.

다른 방법으로, 치환 u=a+b−xu=a+b-x, dx=−dx\mathrm{d}x=-\mathrm{d}x 를 써서 1b−a∫abf(a+b−x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x 를 직접 계산할 수도 있다.

1b−a∫abf(a+b−x) dx=−1b−a∫u(a)u(b)f(u) du=−1b−a∫baf(u) du=1b−a∫abf(u) du=A\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x&=\frac{-1}{b-a}\int_{u(a)}^{u(b)} f(u)\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{-1}{b-a}\int_{b}^{a} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=A \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The function g(x)=f(a+b−x)g(x)=f(a+b-x), on the interval [a,b][a,b], is a mirror of the function f(x)f(x), with g(a)=f(b)g(a)=f(b) and g(b)=f(a)g(b)=f(a). So, ∫abf(a+b−x) dx=∫abf(x) dx\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x, and hence 1b−a∫abf(a+b−x) dx=1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x, so the average value of f(a+b−x)f(a+b-x) on [a,b][a,b] is AA.

Alternately, we can evaluate 1b−a∫abf(a+b−x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x directly, using the substitution u=a+b−xu=a+b-x, dx=−dx\mathrm{d}x=-\mathrm{d}x:

1b−a∫abf(a+b−x) dx=−1b−a∫u(a)u(b)f(u) du=−1b−a∫baf(u) du=1b−a∫abf(u) du=A\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x&=\frac{-1}{b-a}\int_{u(a)}^{u(b)} f(u)\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{-1}{b-a}\int_{b}^{a} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=A \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 26번
# 함수의 평균값계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
190.CLP-2 · 2.2절 · 26번대학 수준우리말 번역

f(t)f(t) 가 연속함수이고, A(x)A(x) 는 0부터 xx 까지의 구간에서 f(t)f(t) 의 평균이라고 하자.

(a) a<ba<b 일 때, [a,b][a,b] 에서 f(t)f(t) 의 평균은 얼마입니까? AA 를 이용하여 나타내세요. (b) f(t)f(t) 는 무엇입니까? 이번에도 AA 를 이용하여 나타내세요.

영어 원문 보기

Suppose f(t)f(t) is a continuous function, and A(x)A(x) is the average of f(t)f(t) on the interval from 0 to xx.

(a) What is the average of f(t)f(t) on [a,b][a,b], where a<ba<b? Give your answer in terms of AA. (b) What is f(t)f(t)? Again, give your answer in terms of AA.

정답·풀이 보기

(a) 함수 A(x)A(x) 는 적분 구간의 한쪽 끝이 0일 때의 적분에 대한 정보만 준다. 1.2절의 정적분의 성질을 이용하여 적분을 두 개의 적분으로 나누면 이를 해결할 수 있다. 두 적분은 각각 적분 구간의 한쪽 끝이 0이다. 따라서 [a,b][a,b] 에서 f(t)f(t) 의 평균은 다음과 같이 구한다:

1b−a∫abf(t) dt=1b−a(∫a0f(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−∫0af(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−a⋅1a∫0af(t) dt⏟A(a)+b⋅1b∫0bf(t) dt⏟A(b))=1b−a(−aA(a)+bA(b))=bA(b)−aA(a)b−a\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(t)\,\mathrm{d}t&= \frac{1}{b-a}\left(\int_a^0 f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t\right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-a\cdot\underbrace{\frac{1}{a}\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(a)} + b\cdot\underbrace{\frac{1}{b}\int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(b)} \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-aA(a)+bA(b) \right) = \frac{bA(b) - aA(a)}{b-a} \end{aligned} (b) A(x)A(x) 의 정의로부터 다음을 알 수 있다. A(x)=1x∫0xf(t) dtA(x) = \frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t 즉, xA(x)=∫0xf(t) dtxA(x) =\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t 이다. f(x)f(x) 를 구하기 위해 양변을 미분한다. 좌변은 곱의 미분법을 이용하고, 우변은 미적분의 기본정리 제1부분을 이용한다. A(x)+xA′(x)=f(x)A(x)+xA'(x) = f(x) 따라서 f(t)=A(t)+tA′(t)f(t)=A(t)+tA'(t) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function A(x)A(x) only gives us information about an integral when one limit of integration is zero. We can get around this by using properties of definite integrals from Section 1.2 to break our integral into two integrals, each of which has 0 as one limit of integration. So, we find the average of f(t)f(t) on [a,b][a,b] as follows:

1b−a∫abf(t) dt=1b−a(∫a0f(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−∫0af(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−a⋅1a∫0af(t) dt⏟A(a)+b⋅1b∫0bf(t) dt⏟A(b))=1b−a(−aA(a)+bA(b))=bA(b)−aA(a)b−a\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(t)\,\mathrm{d}t&= \frac{1}{b-a}\left(\int_a^0 f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t\right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-a\cdot\underbrace{\frac{1}{a}\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(a)} + b\cdot\underbrace{\frac{1}{b}\int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(b)} \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-aA(a)+bA(b) \right) = \frac{bA(b) - aA(a)}{b-a} \end{aligned} (b) From the definition of A(x)A(x), we know A(x)=1x∫0xf(t) dtA(x) = \frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t That is, xA(x)=∫0xf(t) dtxA(x) =\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t To find f(x)f(x), we differentiate both sides. For the left side, we use the product rule; for the right side, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1. A(x)+xA′(x)=f(x)A(x)+xA'(x) = f(x) So, f(t)=A(t)+tA′(t)f(t)=A(t)+tA'(t).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 23번
# 함수의 평균값계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
191.CLP-2 · 2.2절 · 28번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 는 양의 값을 갖는 연속함수이고 lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} f(x)=0 이라 하자. 또 A(x)A(x) 를 [0,x][0,x] 에서 f(x)f(x) 의 평균이라 하자.

lim⁡x→∞A(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} A(x) = 0 은 참인지 거짓인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a positive, continuous function with lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} f(x)=0, and let A(x)A(x) be the average of f(x)f(x) on [0,x][0,x].

True or false: lim⁡x→∞A(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} A(x) = 0.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 명제는 참일 것 같다. xx 가 무한대로 커짐에 따라 ff 가 0에 점점 가까워지면, 시간이 지날수록 뒤쪽의 값들이 우리가 보는 전체 구간에서 차지하는 비중이 점점 커지므로, xx 가 클 때 평균은 f(x)f(x), 즉 0과 점점 비슷해질 것이다. 이는 출발점이 되는 직관일 뿐 엄밀한 논증은 아니다. 놓친 것이 없는지 확인하기 위해 평균의 정의를 이용하여 A(x)A(x) 를 나타내 보자.

A(x)=1x∫0xf(t) dtlim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞1x∫0xf(t) dt만약 ∫0∞f(t) dt 가 수렴하면 이 극한은 0이므로 명제는 참이다. 그러므로 수렴하지 않는다고 하자. f(x) 가 양수이므로 lim⁡x→∞∫0xf(t) d(t)=∞ 이고, 따라서 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 분자를 미분할 때는 미적분의 기본 정리 1부를 사용한다.lim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞∫0xf(t) dtx=lim⁡x→∞f(t)1=0\begin{aligned} A(x)&=\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t\\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t \\ \text{만약 $\int_0^\infty f(t) \,\mathrm{d}t$ 가 수렴하면 이 극한은 0이므로 명제는 참이다. 그러므로 수렴하지 않는다고 하자. $f(x)$ 가 양수이므로 $\lim\limits_{x \to \infty} \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}(t) = \infty$ 이고, 따라서 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 분자를 미분할 때는 미적분의 기본 정리 1부를 사용한다.} \\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x} = \lim_{x \to \infty}\frac{f(t)}{1}=0 \end{aligned}

따라서 ∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,\mathrm{d}t 가 수렴하든 수렴하지 않든 명제는 참이다.

원본 교재 풀이(영어)

This seems like it might be true: if ff is getting closer and closer to zero, as xx grows towards infinity, then over time the later values will become a larger and larger portion of the total interval we're looking at, and so the average should look more and more like f(x)f(x) when xx is large–that is, like 0. That's some intuition to start us out, but it isn't a rigorous argument. To be sure we haven't overlooked something, let's use the definition of an average to express A(x)A(x).

A(x)=1x∫0xf(t) dtlim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞1x∫0xf(t) dtIf ∫0∞f(t) dt converges, then this limit is 0, and the statement is true. So, suppose it does not converge. Since f(x) is positive, that means lim⁡x→∞∫0xf(t) d(t)=∞, so we can use l’Hoˆpital’s rule. To differentiate the numerator, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1.lim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞∫0xf(t) dtx=lim⁡x→∞f(t)1=0\begin{aligned} A(x)&=\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t\\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t \\ \text{If $\int_0^\infty f(t) \,\mathrm{d}t$ converges, then this limit is 0, and the statement is true. So, suppose it does not converge. Since $f(x)$ is positive, that means $\lim\limits_{x \to \infty} \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}(t) = \infty$, so we can use l'H\^{o}pital's rule. To differentiate the numerator, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1.} \\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x} = \lim_{x \to \infty}\frac{f(t)}{1}=0 \end{aligned}

So, the statement is true whether ∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,\mathrm{d}t converges or not.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 25번
# 함수의 평균값개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
192.CLP-2 · 2.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

대칭성을 이용하여 두 곡선 y=(x−1)2y=(x-1)^2 과 y=−x2+2x+1y=-x^2+2x+1 사이에 있는 유한한 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Using symmetry, find the centroid of the finite region between the curves y=(x−1)2y=(x-1)^2 and y=−x2+2x+1y=-x^2+2x+1.

figure

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정답·풀이 보기

−x2+2x+1=2−(x−1)2-x^2+2x+1 = 2-(x-1)^2 임에 주목한다. 따라서 두 포물선은 모두 직선 x=1x=1 에 대해 대칭이므로, 무게중심의 xx 좌표는 x=1x=1 이다.

그림

두 포물선은 다음과 같을 때 만난다.

(x−1)2=2−(x−1)22(x−1)2=2∣x−1∣=1x=0,x=2\begin{aligned} (x-1)^2&=2-(x-1)^2\\ 2(x-1)^2&=2\\ |x-1|&=1\\ x=0,\quad x&=2 \end{aligned}

이 두 점에서 모두 y=1y=1 이므로 이 도형은 직선 y=1y=1 에 대해 대칭이다. 그러면 무게중심의 yy 좌표는 11 이다.

그림

따라서 무게중심은 (1,1)(1,1) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note −x2+2x+1=2−(x−1)2-x^2+2x+1 = 2-(x-1)^2. So, both parabolas are symmetric about the line x=1x=1, and the xx-coordinate of the centroid is x=1x=1.

figure

The parabolas meet when:

(x−1)2=2−(x−1)22(x−1)2=2∣x−1∣=1x=0,x=2\begin{aligned} (x-1)^2&=2-(x-1)^2\\ 2(x-1)^2&=2\\ |x-1|&=1\\ x=0,\quad x&=2 \end{aligned}

At both these points, y=1y=1, so we see the figure is symmetric about the line y=1y=1. Then the yy-coordinate of the centroid is 11.

figure

Therefore, the centroid is at (1,1)(1,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 6번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
193.CLP-2 · 2.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

대칭성을 이용하여, 원점을 중심으로 하는 단위원의 내부이면서 역시 원점을 중심으로 하는 가로 1, 세로 0.5인 직사각형의 외부에 있는 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Using symmetry, find the centroid of the region inside the unit circle, centred on the origin, and outside a rectangle, also centred on the origin, with width 1 and height 0.5.

figure

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정답·풀이 보기

원과 잘라 낸 직사각형은 xx 축에 대해서도, yy 축에 대해서도 대칭이므로 무게중심은 원점이다.

참고: 영역의 무게중심이 반드시 그 영역에 속하는 점일 필요는 없다!

원본 교재 풀이(영어)

The circle and the cut-out rectangle are symmetric about the xx-axis, and about the yy-axis, so the centroid is the origin.

Remark: the centroid of a region doesn't have to be a point in the region!

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 1번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
194.CLP-2 · 2.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

아래 각 그림에 대해, 질량중심이 직선 x=ax=a 의 왼쪽에 있는지, 오른쪽에 있는지, 직선 위에 있는지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요. 영역의 음영은 밀도를 나타내며, 더 어두운 음영은 더 밀도가 높은 부분에 해당합니다. (d)에서 오른쪽에 있는 B×AB\times A 직사각형의 오른쪽 변은 x=2ax=2a 위에 있습니다.

그림

그림

그림

그림

그림

영어 원문 보기

For each picture below, determine whether the centre of mass is to the left of, to the right of, or along the line x=ax=a, or whether there is not enough information to tell. The shading of a region indicates density: darker shading corresponds to a denser area. In part (d), the right hand side of the right hand B×AB\times A rectangle has x=2ax=2a.

figure

figure

figure

figure

figure

정답·풀이 보기

(a) 이 도형을 직선 x=ax=a 에 맞춰 세운 연필 위에 올려놓는다면, 도형이 왼쪽으로 쓰러질 것이 분명해 보인다. 따라서 질량중심은 직선 x=ax=a 의 왼쪽에 있다. (b)도 마찬가지이다. 왼쪽의 밀도가 더 높아서 한쪽으로 더 치우쳐 있기 때문이다. 그러나 (c)에서는 오른쪽이 왼쪽보다 밀도가 높아서 왼쪽을 상쇄할 수 있다. 치수와 밀도에 대해 더 많은 정보가 없으면 질량중심이 직선 x=ax=a 에 대해 어디에 있는지 알 수 없다.

(d) 도형 안의 점 (x,y)(x,y) 중 b≤x≤cb\le x\le c 인 모든 점으로 이루어진 도형의 한 부분과, 직선 x=ax=a 의 반대편에 있는 그 “거울상" 부분을 생각하자. 아래 그림에 빨간색으로 그려진 이 두 부분은 넓이가 같고 x=ax=a 로부터의 거리도 같다. 질량중심의 xx 좌표만 관심이 있으므로, 두 부분의 yy 좌표가 서로 다르다는 것은 문제가 되지 않는다. 질량중심은 직선 x=ax=a 위에 있다.

그림

그림

(e) (d)에서와 같이 직선 x=ax=a 의 왼쪽과 오른쪽의 넓이는 같다. 그러나 오른쪽의 넓이는 더 “늘어져" 있어서 직선 x=ax=a 로부터 더 멀리 떨어진 공간을 차지한다. 따라서 질량중심은 직선 x=ax=a 의 오른쪽에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we were to set this figure on a pencil lined up along the vertical line x=ax=a, it seems pretty clear that it would fall to the left. So, the centre of mass is to the left of the line x=ax=a. The same is true in (b): the added density on the left makes it only more lopsided. However, in (c), the right side is denser than the left, which could counterbalance the left. Without knowing more about the dimensions and the density, we can't say where the centre of mass is in relation to the line x=ax=a.

(d) Consider a section of the figure, consisting of all points (x,y)(x,y) in the figure with b≤x≤cb\le x\le c, and its “mirror" section on the other side of the line x=ax=a. These two sections, which are drawn in red in the sketches below, will have the same area, at the same distance from x=ax=a. Since we only care about the xx-coordinate of the centre of mass, it doesn't matter that the two halves are at different yy-coordinates. The centre of mass falls along the line x=ax=a.

figure

figure

(e) There is the same amount of area to the left and right of the line x=ax=a, as in part (d). However, the area to the right is “stretched out" more, so that it occupies space farther away from the line x=ax=a. So, the centre of mass will be to the right of the line x=ax=a.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 8번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
195.CLP-2 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

탱크 AA는 반지름이 1미터인 구 모양이고 물이 가득 차 있다. 탱크 AA의 바닥은 지면에서 3미터 위에 있고, 지면에는 탱크 BB가 놓여 있다. 탱크 BB는 밑면의 크기가 2미터 × 1미터인 키가 큰 직육면체 모양이며 비어 있다. 물과 질량이 같은 질점을 AA의 질량 중심 높이에서 물이 BB로 옮겨진 뒤의 물의 질량 중심 높이까지 이동시키는 것으로 상황을 모형화하여, 탱크 AA의 물을 모두 탱크 BB로 빼낼 때 중력이 하는 일을 구하세요.

그림

물의 밀도는 10001000 kg/m3^3, 중력가속도는 g=9.8g=9.8 m/sec2^2 을 사용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Tank AA is spherical, of radius 1 metre, and filled completely with water. The bottom of tank AA is three metres above the ground, where Tank BB sits. Tank BB is tall and rectangular, with base dimensions 2 metres by 1 metre, and empty. Calculate the work done by gravity to drain all the water from Tank AA to Tank BB by modelling the situation as a point mass, of the same mass as the water, being moved from the height of the centre of mass of AA to the height of the centre of mass of the water after it has been moved to BB.

figure

You may use 10001000 kg/m3^3 for the density of water, and g=9.8g=9.8 m/sec2^2 for the acceleration due to gravity.

정답·풀이 보기
  • 탱크 A에 든 물의 부피는 43π(1)3=43π\frac{4}{3}\pi(1)^3 = \frac{4}{3}\pi 세제곱미터이다.
  • 물의 질량은 40003π\frac{4000}{3}\pi kg이다.
  • 대칭성에 의해 탱크 AA를 가득 채운 물의 질량 중심은 구의 중심에 있으며, 지면으로부터의 높이는 yˉ1=4\bar y_1=4 미터이다(지면에서 3미터 위에 있는 탱크 AA의 바닥보다 1미터 위).
  • 물이 모두 탱크 BB에 있을 때 물의 높이는 23π\frac{2}{3}\pi 미터이다. (탱크 BB의 밑면의 넓이는 2 m2^2 이고 물의 부피는 43π\frac{4}{3}\pi m3^3 이다.) 대칭성에 의해 질량 중심은 정확히 절반 높이에 있으므로 높이는 yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi 미터이다.
  • 따라서 모형의 질점은 중력에 의해 yˉ1=4\bar y_1=4 에서 yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi 까지, 즉 4−13π4-\frac{1}{3}\pi 미터만큼 이동한다.
  • 이때의 일은 다음과 같다: (40003π kg)×(4−13π m)×(9.8 msec2)=39200π9(12−π)≈121,212 J\left(\frac{4000}{3}\pi~\text{kg}\right)\times\left(4-\frac{1}{3}\pi~\text{m}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{39200\pi}{9}(12-\pi)\approx 121,212~\text{J}
원본 교재 풀이(영어)
  • The volume of water in Tank A is 43π(1)3=43π\frac{4}{3}\pi(1)^3 = \frac{4}{3}\pi cubic metres.
  • The mass of water is 40003π\frac{4000}{3}\pi kg.
  • By symmetry, the centre of mass of the water when it fills Tank AA is exactly in the centre of the sphere, at height yˉ1=4\bar y_1=4 metres above the ground (one metre above the bottom of Tank AA, which is three metres above the ground).
  • When the water is entirely in Tank BB, its height is 23π\frac{2}{3}\pi metres. (The base of Tank BB has area 2 m2^2, and the volume of water is 43π\frac{4}{3}\pi m3^3.) By symmetry, the centre of mass is exactly halfway up, at height yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi metres.
  • So, the point mass in our model is moved from yˉ1=4\bar y_1=4 to yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi, a distance of 4−13π4-\frac{1}{3}\pi metres, by gravity.
  • The work involved is: (40003π kg)×(4−13π m)×(9.8 msec2)=39200π9(12−π)≈121,212 J\left(\frac{4000}{3}\pi~\text{kg}\right)\times\left(4-\frac{1}{3}\pi~\text{m}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{39200\pi}{9}(12-\pi)\approx 121,212~\text{J}
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 5번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
196.CLP-2 · 2.3절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, y=−1y = -1 로 둘러싸인 영역의 무게중심의 yy 좌표를 구하세요.

(b) (a)의 영역을 직선 y=−1y = -1 을 축으로 회전시켜 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the yy–coordinate of the centroid of the region bounded by y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, and y=−1y = -1.

(b) Calculate the volume of the solid generated by rotating the region from part (a) about the line y=−1y = -1.

정답·풀이 보기

(a) 다음은 주어진 영역의 그림이며, 이 영역을 RR 라 하자.

그림

RR 의 위쪽 경계는 방정식 y=T(x)=exy=T(x)=e^x 이고, 아래쪽 경계는 방정식 y=B(x)=−1y=B(x)=-1 이며 xx 는 00 에서 11 까지 변한다. 따라서 세로로 가느다란 띠를 이용하면 RR 의 넓이는 다음과 같다.

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

그리고

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) RR 를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시킬 때의 부피를 계산하기 위해

  • 위 그림과 같이 폭이 dx\mathrm{d}x 인 가느다란 세로 띠를 이용한다.

  • 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 원판을 만들어 내며,

  • 이 원판의 반지름은 r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 이고,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이며, 따라서

  • 부피는 πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠가 x=0x=0 에 있고 가장 오른쪽 띠가 x=1x=1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch of the specified region, which we shall call RR.

figure

The top of RR has equation y=T(x)=exy=T(x)=e^x, the bottom has equation y=B(x)=−1y=B(x)=-1 and xx runs from 00 to 11. So, using vertical strips, we see that RR has area

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

and

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) To compute the volume when RR is rotated about the line y=−1y=-1

  • we use thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−1y=-1, each strip sweeps out a thin disk

  • whose radius is r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 and

  • whose thickness is dx\mathrm{d}x and hence

  • whose volume is πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=0x=0 and our rightmost strip is at x=1x=1, the total volume is

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

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길이가 aa 인 가느다란 막대의 밀도 분포 함수가 ρ(x)=10e−0.1x\rho(x) = 10e^{-0.1x} 라고 하자. 여기서 xx 의 단위는 cm 이고 ρ\rho 의 단위는 센티미터당 그램이다.

(a) 막대의 질량이 30 g 이면 aa 의 값은 얼마입니까? (b) 질량이 30g 인 이 막대에서 무게중심은 중점에 있을까요, 중점의 왼쪽에 있을까요, 아니면 중점의 오른쪽에 있을까요? 그 이유는 무엇입니까? (c) 질량이 30g 인 이 막대의 무게중심을 구하고, (b)에서 예측한 것과 비교하세요. (d) 질량이 30g 인 이 막대를 같은 질량의 두 조각으로 만들려면 xx 의 어떤 값에서 잘라야 합니까?

영어 원문 보기

Let a thin rod of length aa have density distribution function ρ(x)=10e−0.1x\rho(x) = 10e^{-0.1x}, where xx is measured in cm and ρ\rho in grams per centimeter.

(a) If the mass of the rod is 30 g, what is the value of aa? (b) For the 30g rod, will the center of mass lie at its midpoint, to the left of the midpoint, or to the right of the midpoint? Why? (c) For the 30g rod, find the center of mass, and compare your prediction in (b). (d) At what value of xx should the 30g rod be cut in order to form two pieces of equal mass?

정답·풀이 보기

(a) 질량을 구하기 위해 막대를 길이가 Δx\Delta x 로 균일한 조각들로 나누고, ii 번째 조각의 밀도를 상수 밀도 ρ(xi)\rho(x_i) 로 근사한다. 그러면 ii 번째 조각의 질량은 근사적으로 ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x 이다. 이 근삿값들을 더하고 조각의 수를 무한히 늘릴 때의 극한을 취하면, 막대의 질량을 나타내는 정적분 ∫0aρ(x) dx\int_0^a \rho(x) \ dx 를 얻는다. 치환 u=−0.1xu = -0.1x, du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx 를 사용하면 ∫0aρ(x) dx=∫0a10e−0.1x dx=∫0−0.1a−100eu du=−100eu∣0−0.1a=−100(e−0.1a−1)=100(1−e−0.1a) .\begin{aligned}\int_0^a \rho(x) \ dx &= \int_0^a 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1a} -100 e^u \ du \\ &= -100e^u \biggm|_0^{-0.1a} \\ &= -100\left(e^{-0.1a} - 1\right) \\ &= 100\left(1-e^{-0.1a}\right)\end{aligned}\,. 따라서 질량이 3030 g 이면 100(1−e−0.1a)=30100\left(1-e^{-0.1a}\right) = 30 이므로 1−e−0.1a=0.31-e^{-0.1a} = 0.3 이고, e−0.1a=0.7e^{-0.1a} = 0.7 이다. 그러면 −0.1a=ln⁡(0.7)-0.1a = \ln(0.7) 이므로 a=−10ln⁡(0.7)≈3.567 cma = -10 \ln(0.7) \approx 3.567 \text{ cm} 이다. (b) 밀도가 감소 함수이므로, 막대의 무게중심은 중점의 왼쪽에 있을 것으로 예상할 수 있다. (c) 무게중심을 구하기 위해, (a)에서처럼 막대를 길이가 Δx\Delta x 로 균일한 조각들로 나누고, ii 번째 조각의 질량을 상수 밀도 ρ(xi)\rho(x_i) 로 근사하여 ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x 라 한다. ii 번째 조각의 위치는 근사적으로 xi/x_i/ 이다. 막대를 nn 개의 이산적인 질량(조각들)의 모임으로 보면, 무게중심 x‾\overline{x} 는 근사적으로 x‾≈∑i=1nxiρ(xi)Δx∑i=1nρ(xi)Δx \overline{x} \approx \frac{\sum_{i=1}^n x_i \rho(x_i) \Delta x}{\sum_{i=1}^n \rho(x_i) \Delta x}\, 이다. 조각의 수를 무한히 늘리면 막대의 무게중심의 정확한 위치 x‾=∫0axρ(x) dx∫0aρ(x) dx \overline{x} = \frac{\int_0^a x \rho(x) \ dx}{\int_0^a \rho(x) \ dx}\, 를 얻는다. 막대의 질량이 3030 g 이므로, 이제 ∫0axρ(x) dx=∫0a10xe−0.1x dx\int_0^a x \rho(x) \ dx = \int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx 의 값만 구하면 된다. u=xu = x, du=dxdu = dx, dv=e−0.1x dxdv = e^{-0.1x} \ dx, v=−10e−0.1xv = -10e^{-0.1x} 로 놓고 부분적분하면 ∫0a10xe−0.1x dx=10(−10xe−0.1x∣0a+∫0a−10e−0.1x dx)=10(−10ae−0.1a+100(1−e−0.1a))≈10(−10(3.567)ae−0.1(3.567)+100(1−e−0.1(3.567)))≈50.3338 .\begin{aligned}\int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx &= 10\left(-10xe^{-0.1x}\biggm|_0^a + \int_0^a -10e^{-0.1x} \ dx \right) \\ &= 10\left(-10ae^{-0.1a} + 100(1-e^{-0.1a})\right) \\ &\approx 10\left(-10(3.567)ae^{-0.1(3.567)} + 100(1-e^{-0.1(3.567)})\right) \\ &\approx 50.3338\end{aligned}\,. 따라서 무게중심은 x‾≈50.333830≈1.687\overline{x} \approx \frac{50.3338}{30} \approx 1.687 이고, 이는 예상대로 길이 3.5673.567 cm 인 막대의 중간보다 작다. (d) 각 조각의 질량은 1515 g 이어야 한다. 구간 [0,q][0, q] 에서 막대의 질량이 15 가 되도록 하는, 0 과 aa 사이의 xx 값을 qq 라 하자. 치환 u=−0.1xu = -0.1x, du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx 를 사용하면 구간 [0,q][0, q] 에서 막대의 질량은 ∫0qρ(x) dx=∫0q10e−0.1x dx=∫0−0.1q−100eu du=−100eu∣0−0.1q=100(1−e−0.1q)\begin{aligned}\int_0^q \rho(x) \ dx &= \int_0^q 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1q} -100e^{u} \ du \\ &= -100e^u\biggm|_0^{-0.1q} \\ &= 100\left(1-e^{-0.1q}\right)\end{aligned} 이다. 이 질량이 1515 g 이 되어야 하므로 100(1−e−0.1q)=15100\left(1-e^{-0.1q}\right) = 15 를 만족하는 qq 를 구한다. 보통의 방법으로 qq 에 대해 풀면 q=−10ln⁡(0.85)≈1.625q = -10\ln(0.85) \approx 1.625 cm 이다. 이 값은 무게중심과 같지 않음에 주의한다. 무게중심은 (무게중심으로부터의 거리로 정해지는) 돌림힘을 고려하지만, 물체를 같은 질량의 두 조각으로 나누는 지점을 계산할 때에는 돌림힘이 반영되지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find mass we slice the rod horizontally into uniform slices of length Δx\Delta x and approximate the density on the iith slice with the constant density ρ(xi)\rho(x_i). Then the approximate mass of the iith slice is ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x. Adding the approximations and taking the limit as the number of slices goes to infinity gives us the definite integral ∫0aρ(x) dx\int_0^a \rho(x) \ dx to represent the mass of the rod. Using the substitution u=−0.1xu = -0.1x and du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx we have ∫0aρ(x) dx=∫0a10e−0.1x dx=∫0−0.1a−100eu du=−100eu∣0−0.1a=−100(e−0.1a−1)=100(1−e−0.1a) .\begin{aligned}\int_0^a \rho(x) \ dx &= \int_0^a 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1a} -100 e^u \ du \\ &= -100e^u \biggm|_0^{-0.1a} \\ &= -100\left(e^{-0.1a} - 1\right) \\ &= 100\left(1-e^{-0.1a}\right)\end{aligned}\,. So if the mass is 3030 g, then 100(1−e−0.1a)=30100\left(1-e^{-0.1a}\right) = 30, so 1−e−0.1a=0.31-e^{-0.1a} = 0.3, and e−0.1a=0.7e^{-0.1a} = 0.7. It follows that −0.1a=ln⁡(0.7)-0.1a = \ln(0.7), and thus, a=−10ln⁡(0.7)≈3.567 cma = -10 \ln(0.7) \approx 3.567 \text{ cm}. (b) Since the density is a decreasing function, we should expect that the center of mass of the rod will lie to the left of the midpoint. (c) To find the center of mass, we slice the rod horizontally into uniform slices of length Δx\Delta x and approximate the mass on the iith slice with the constant density ρ(xi)\rho(x_i) to be ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x as in (a). The position of the iith slice is approximately xi/x_i/. Treating the rod as a collection of nn discrete masses (the slices), the center of mass x‾\overline{x} is approximately x‾≈∑i=1nxiρ(xi)Δx∑i=1nρ(xi)Δx .\overline{x} \approx \frac{\sum_{i=1}^n x_i \rho(x_i) \Delta x}{\sum_{i=1}^n \rho(x_i) \Delta x}\,. Letting the number of slices go to infinity gives us the exact location of the center of mass of the rod, x‾=∫0axρ(x) dx∫0aρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^a x \rho(x) \ dx}{\int_0^a \rho(x) \ dx}\,. The mass of the rod is 3030 g, so now we just need to evaluate ∫0axρ(x) dx=∫0a10xe−0.1x dx\int_0^a x \rho(x) \ dx = \int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx. Integrating by parts with u=xu = x, du=dxdu = dx, dv=e−0.1x dxdv = e^{-0.1x} \ dx, and v=−10e−0.1xv = -10e^{-0.1x} gives us ∫0a10xe−0.1x dx=10(−10xe−0.1x∣0a+∫0a−10e−0.1x dx)=10(−10ae−0.1a+100(1−e−0.1a))≈10(−10(3.567)ae−0.1(3.567)+100(1−e−0.1(3.567)))≈50.3338 .\begin{aligned}\int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx &= 10\left(-10xe^{-0.1x}\biggm|_0^a + \int_0^a -10e^{-0.1x} \ dx \right) \\ &= 10\left(-10ae^{-0.1a} + 100(1-e^{-0.1a})\right) \\ &\approx 10\left(-10(3.567)ae^{-0.1(3.567)} + 100(1-e^{-0.1(3.567)})\right) \\ &\approx 50.3338\end{aligned}\,. So the center of mass is x‾≈50.333830≈1.687\overline{x} \approx \frac{50.3338}{30} \approx 1.687, which is less than midway across the 3.5673.567 cm rod as expected. (d) Each piece would have mass 1515 grams. Let qq be a value of xx between 0 and aa so the the mass of the rod on the interval [0,q][0, q] is 15. Using the substitution u=−0.1xu = -0.1x and du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx we have that the mass of the rod on the interval [0,q][0, q] is ∫0qρ(x) dx=∫0q10e−0.1x dx=∫0−0.1q−100eu du=−100eu∣0−0.1q=100(1−e−0.1q)\begin{aligned}\int_0^q \rho(x) \ dx &= \int_0^q 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1q} -100e^{u} \ du \\ &= -100e^u\biggm|_0^{-0.1q} \\ &= 100\left(1-e^{-0.1q}\right)\end{aligned} We want this mass to be 1515 grams, so we find qq such that 100(1−e−0.1q)=15100\left(1-e^{-0.1q}\right) = 15. Solving for qq in the usual way, we find q=−10ln⁡(0.85)≈1.625q = -10\ln(0.85) \approx 1.625 cm. Note that this is not the same as the center of mass. The center of mass takes into account the torque (determined by distance from the center of mass), which is not incorporated into the calculation of the point to split the object into two pieces of equal mass.

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단면적이 일정한 두 개의 가는 막대를 생각하세요. 두 막대의 길이는 각각 10 cm 이고, 질량 밀도 함수는 각각 ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2} 과 p(x)=e−0.1xp(x) = e^{-0.1x} 입니다.

(a) 각 막대의 질량을 구하세요. (b) 각 막대의 질량 중심을 구하세요. (c) 이제 질량 밀도 함수가 f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x) 인 새로운 10 cm 막대를 생각하세요. (i) 추가 계산을 거의 하지 않고도 이 새 막대의 질량을 쉽게 구할 수 있는 방법을 설명하세요. (ii) 마찬가지로, 앞서 계산한 결과를 이용하여 ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx 를 가능한 한 간단하게 계산하세요. (iii) 이 새 막대의 질량 중심이 앞의 두 막대의 질량 중심의 평균이라는 명제가 참인지 거짓인지 쓰세요. 그렇게 결론 내린 것이 타당한 이유를 적어도 한 문장으로 쓰세요.

영어 원문 보기

Consider two thin bars of constant cross-sectional area, each of length 10 cm, with respective mass density functions ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2} and p(x)=e−0.1xp(x) = e^{-0.1x}.

(a) Find the mass of each bar. (b) Find the center of mass of each bar. (c) Now consider a new 10 cm bar whose mass density function is f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x). (i) Explain how you can easily find the mass of this new bar with little to no additional work. (ii) Similarly, compute ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx as simply as possible, in light of earlier computations. (iii) True or false: the center of mass of this new bar is the average of the centers of mass of the two earlier bars. Write at least one sentence to say why your conclusion makes sense.

정답·풀이 보기

(a) 첫 번째 막대의 질량은 M=∫0aρ(x) dxM = \int_0^a \rho(x) \, dx 에 a=10a = 10, ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2} 을 대입하여 구한다. 따라서 첫 번째 막대의 질량은 M1=∫01011+x2 dx=arctan⁡(x)∣010 ,M_1 = \int_0^{10} \frac{1}{1+x^2} \, dx = \left. \arctan(x) \right|_0^{10}\,, 이므로 M1=arctan⁡(10)≈1.47113M_1 = \arctan(10) \approx 1.47113 이다. 두 번째 막대도 같은 방법으로 계산하면 질량은 M2=∫010e−0.1x dx=−10e−0.1x∣010 ,M_2 = \int_0^{10} e^{-0.1x} \, dx = \left. -10e^{-0.1x} \right|_0^{10}\,, 이므로 M2=10−10e−1≈6.32121M_2 = 10 - 10e^{-1} \approx 6.32121 이다. (b) 각 막대의 질량 중심은 다음의 기본 공식을 이용하여 구한다. x‾=∫010xρ(x) dx∫010ρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x \rho(x) \, dx}{\int_0^{10} \rho(x) \, dx}\,. 각 질량 분포에 대해 분모는 이미 계산했으므로 분자만 계산하면 된다. 다음이 성립함을 어렵지 않게 보일 수 있다. ∫010x11+x2 dx=12ln⁡(101)≈2.30756 ,\int_0^{10} x \frac{1}{1+x^2} \, dx = \frac{1}{2} \ln(101) \approx 2.30756\,, 따라서 첫 번째 막대의 질량 중심은 x1‾=arctan⁡(10)12ln⁡(101)≈2.307561.47113≈1.56857\overline{x_1} = \frac{\arctan(10)}{\frac{1}{2}\ln(101)} \approx \frac{2.30756}{1.47113} \approx 1.56857 이다. 두 번째 막대에서는 ∫010xe−0.1x dx=100−200e−1≈26.42411 ,\int_0^{10} x e^{-0.1x} \, dx = 100-200e^{-1} \approx 26.42411\,, 이므로 질량 중심은 x2‾=10−10e−1100−200e−1≈26.424116.32121≈4.18023\overline{x_2} = \frac{10 - 10e^{-1}}{100-200e^{-1}} \approx \frac{26.42411}{6.32121} \approx 4.18023 이다. (c) 질량 밀도 함수가 f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x) 인 새로운 10 cm 막대를 생각한다. (i) 이 새 막대의 질량은 M=∫010(ρ(x)+p(x)) dxM = \int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx 이다. 정적분의 덧셈 성질을 이용하면 M=∫010ρ(x) dx+∫010p(x) dx≈1.47113+6.32121=7.79234M = \int_0^{10} \rho(x) \, dx + \int_0^{10} p(x) \, dx \approx 1.47113 + 6.32121 = 7.79234 이다. (ii) ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx 에도 같은 방법을 적용하면 ∫010x(ρ(x)+p(x))) dx=∫010xρ(x) dx+∫010xp(x) dx≈2.30756+26.42411=28.73167\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x))) \, dx = \int_0^{10} x \rho(x) \, dx + \int_0^{10} x p(x) \, dx \approx 2.30756 + 26.42411 = 28.73167 이다. (iii) 거짓이다. 새 막대의 질량 중심은 x‾=∫010x(ρ(x)+p(x)) dx∫010(ρ(x)+p(x)) dx≈2.30756+26.424111.47113+6.32121=3.68717\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x)) \, dx}{\int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx} \approx \frac{2.30756 + 26.42411}{1.47113 + 6.32121} = 3.68717 이고, 두 막대의 질량 중심의 평균은 x1‾+x2‾2≈2.307561.47113+26.424116.321212=2.8744\frac{\overline{x_1} + \overline{x_2}}{2} \approx \frac{\frac{2.30756}{1.47113} + \frac{26.42411}{6.32121}}{2} = 2.8744 이다. 계산으로 결론이 증명되지만, 직관적으로도 이해할 수 있다. 평균은 두 막대를 똑같은 비중으로 취급하여, 한 막대의 질량이 다른 막대보다 훨씬 크다는 점을 고려하지 않는다. 실제로 질량 중심을 올바르게 계산하려면 가중평균이 필요하며, 앞의 (i)과 (ii)의 계산이 바로 그 일을 한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find the mass of the first bar, we use the fact that M=∫0aρ(x) dxM = \int_0^a \rho(x) \, dx, with a=10a = 10 and ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2}. Thus, the mass of the first bar is M1=∫01011+x2 dx=arctan⁡(x)∣010 ,M_1 = \int_0^{10} \frac{1}{1+x^2} \, dx = \left. \arctan(x) \right|_0^{10}\,, so M1=arctan⁡(10)≈1.47113M_1 = \arctan(10) \approx 1.47113. Similar computations for the second bar shows that its mass is M2=∫010e−0.1x dx=−10e−0.1x∣010 ,M_2 = \int_0^{10} e^{-0.1x} \, dx = \left. -10e^{-0.1x} \right|_0^{10}\,, so M2=10−10e−1≈6.32121M_2 = 10 - 10e^{-1} \approx 6.32121. (b) To find the center of mass of each bar, we use the standard formula: x‾=∫010xρ(x) dx∫010ρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x \rho(x) \, dx}{\int_0^{10} \rho(x) \, dx}\,. Having already evaluated the denominator for each mass distribution, we simply need to compute the numerator. It is straightforward to show that ∫010x11+x2 dx=12ln⁡(101)≈2.30756 ,\int_0^{10} x \frac{1}{1+x^2} \, dx = \frac{1}{2} \ln(101) \approx 2.30756\,, so the first bar's center of mass is x1‾=arctan⁡(10)12ln⁡(101)≈2.307561.47113≈1.56857 .\overline{x_1} = \frac{\arctan(10)}{\frac{1}{2}\ln(101)} \approx \frac{2.30756}{1.47113} \approx 1.56857\,. For the second bar, ∫010xe−0.1x dx=100−200e−1≈26.42411 ,\int_0^{10} x e^{-0.1x} \, dx = 100-200e^{-1} \approx 26.42411\,, so its center of mass is x2‾=10−10e−1100−200e−1≈26.424116.32121≈4.18023 .\overline{x_2} = \frac{10 - 10e^{-1}}{100-200e^{-1}} \approx \frac{26.42411}{6.32121} \approx 4.18023\,. (c) Consider a new 10 cm bar whose mass density function is f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x). (i) The mass of this new bar is M=∫010(ρ(x)+p(x)) dxM = \int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx. Using the additive property of the definite integral, M=∫010ρ(x) dx+∫010p(x) dx≈1.47113+6.32121=7.79234 .M = \int_0^{10} \rho(x) \, dx + \int_0^{10} p(x) \, dx \approx 1.47113 + 6.32121 = 7.79234\,. (ii) Applying the same idea to ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx, we have ∫010x(ρ(x)+p(x))) dx=∫010xρ(x) dx+∫010xp(x) dx≈2.30756+26.42411=28.73167 .\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x))) \, dx = \int_0^{10} x \rho(x) \, dx + \int_0^{10} x p(x) \, dx \approx 2.30756 + 26.42411 = 28.73167\,. (iii) False. The center of mass of the new bar is x‾=∫010x(ρ(x)+p(x)) dx∫010(ρ(x)+p(x)) dx≈2.30756+26.424111.47113+6.32121=3.68717\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x)) \, dx}{\int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx} \approx \frac{2.30756 + 26.42411}{1.47113 + 6.32121} = 3.68717 while the average of the two bars' centers of mass is x1‾+x2‾2≈2.307561.47113+26.424116.321212=2.8744 .\frac{\overline{x_1} + \overline{x_2}}{2} \approx \frac{\frac{2.30756}{1.47113} + \frac{26.42411}{6.32121}}{2} = 2.8744\,. Although the computations prove the conclusion, the result is also intuitive: the average treats the two bars as equal contributors and doesn't take into account that one bar has much more mass than the other. Indeed, a weighted average is needed to correctly compute the center of mass, which is what our earlier computations in (i) and (ii) accomplish.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.3절 · 7번
# 밀도·질량과 질량중심개념 확인자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
199.Active Calculus · 6.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

곡선 y=f(x)=2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x)y = f(x) = 2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)} 을 생각하세요.

(a) 이 곡선을 창 x=0…30x = 0 \ldots 30, y=0…3y = 0 \ldots 3 에서 (눈금 비율을 고정하여 xx축과 yy축의 단위 길이가 같도록) 그리고, 이를 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만드세요. 이 곡선이 야구 방망이의 적절한 모형이 될 수 있는 이유를 설명하세요. (b) xx와 yy를 인치 단위로 측정한다고 하세요. 주어진 곡선을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 야구 방망이의 전체 부피를 구하세요. 답에 단위를 쓰세요. (c) 야구 방망이의 무게 밀도가 일정하고, 그 무게 밀도가 세제곱인치당 0.60.6 온스라고 하세요. (b)에서 구한 부피를 갖는 방망이의 전체 무게를 구하세요. (d) 야구 방망이는 단면의 넓이가 일정하지 않으므로, 방망이를 따라 위치 xx 에 집중된 무게는 위치 xx 에서의 얇은 조각의 부피에 의해 정해짐을 알 수 있다. 함수 ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 (여기서 ff 는 문제 처음에 주어진 함수이다)을 x=0x = 0 에서 x=30x = 30 까지 야구 방망이의 무게가 분포하는 방식을 나타내는 무게 밀도 함수로 생각할 수 있는 이유를 설명하세요. (e) 야구 방망이의 질량중심을 계산하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve given by y=f(x)=2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x)y = f(x) = 2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)}.

(a) Plot this curve in the window x=0…30x = 0 \ldots 30, y=0…3y = 0 \ldots 3 (with constrained scaling so the units on the xx and yy axis are equal), and use it to generate a solid of revolution about the xx-axis. Explain why this curve could generate a reasonable model of a baseball bat. (b) Let xx and yy be measured in inches. Find the total volume of the baseball bat generated by revolving the given curve about the xx-axis. Include units on your answer. (c) Suppose that the baseball bat has constant weight density, and that the weight density is 0.60.6 ounces per cubic inch. Find the total weight of the bat whose volume you found in (b). (d) Because the baseball bat does not have constant cross-sectional area, we see that the amount of weight concentrated at a location xx along the bat is determined by the volume of a slice at location xx. Explain why we can think about the function ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 (where ff is the function given at the start of the problem) as being the weight density function for how the weight of the baseball bat is distributed from x=0x = 0 to x=30x = 30. (e) Compute the center of mass of the baseball bat.

정답·풀이 보기

(a) 이 그래프는 구간 0,30 에서 함수 y = f(x) = 2xe -1.25x + (30-x) e -0.25(30-x) 의 그래프와, 설명된 회전체를 만들기 위해 이 그래프를 x축에 대해 대칭이동한 그래프를 보여 준다. 위에 나타낸 그래프(회전체를 만들기 위해 곡선을 xx축에 대해 대칭이동한 것 포함)는 이 회전체가 야구 방망이의 적절한 근사인 이유를 보여 준다(다만 x=3x = 3 과 x=9x = 9 사이에서는 약간 가늘 수도 있다). (b) 원판법을 사용하여 회전체의 부피를 구한다. 통상적인 방법으로 대표적인 조각의 부피는 V조각≈π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2△xV_{\text{조각}} \approx \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \triangle x 이므로, 정적분을 사용하여 조각들의 부피를 더하면 V=∫030π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx V = \int_0^{30} \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \, dx\, 를 얻는다. 계산 도구로 이 적분을 계산하면 V≈52.0666V \approx 52.0666 세제곱인치이다. (c) 방망이의 (일정한) 무게 밀도가 세제곱인치당 0.60.6 온스이므로, 방망이의 전체 무게는 W≈0.6⋅52.0666=31.23996W \approx 0.6 \cdot 52.0666 = 31.23996 온스이다. (d) 야구 방망이를 수평축에 수직으로 자르면 단면은 얇은 원기둥 모양의 원판이 된다. 주어진 xx 위치에 집중된 무게는 대략 무게 밀도(세제곱인치당 0.60.6 온스)에 조각의 부피를 곱한 값이며, 조각의 부피는 Vtextslice≈πf(x)2V_{text{slice}} \approx \pi f(x)^2 이다. 따라서 방망이를 따라 위치 xx 에 집중된 무게는 ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 으로 주어지므로, 이것을 x=0x = 0 에서 x=30x = 30 까지 야구 방망이의 무게가 분포하는 방식을 나타내는 무게 밀도 함수로 볼 수 있다. (e) “질량”이 아닌 “무게”를 다루고 있지만, 무게는 질량과 중력 상수만큼만 차이가 나고 이 상수는 질량중심의 분자와 분모에 모두 들어 있으므로, 통상적인 방법으로 질량중심을 계산할 수 있다. 따라서 표준 공식 x‾=∫030xρ(x) dx∫030ρ(x) dx\overline{x} = \frac{\int_0^{30} x \rho(x) \ dx}{\int_0^{30} \rho(x) \ dx} 을 사용하면 x‾=∫030x⋅0.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫0300.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx=∫030x⋅(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫030(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx≈384.73516.5733=23.21415 \begin{aligned}\overline{x} &= \frac{\int_0^{30} x \cdot 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &= \frac{\int_0^{30} x \cdot (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &\approx \frac{384.735}{16.5733} = 23.21415\end{aligned}\, 이므로, 질량중심은 방망이 길이의 약 2/3 지점을 조금 넘은 곳에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) This plot shows the function y = f(x) = 2xe -1.25x + (30-x) e -0.25(30-x) on the interval 0,30 and its reflection across the x-axis to form the described solid of revolution. The plot shown above (with the curve reflected across the xx-axis to generate the solid of revolution) shows why this solid of revolution is a reasonable approximation to a baseball bat (if perhaps a bit thin between x=3x = 3 and x=9x = 9. (b) We use the disk method to find the volume of the solid of revolution. In the usual way, the volume of a typical slice is Vslice≈π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2△xV_{\text{slice}} \approx \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \triangle x and thus using a definite integral to sum the volumes of the slices, we get V=∫030π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx .V = \int_0^{30} \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \, dx\,. Using technology to evaluate the integral, we find that V≈52.0666V \approx 52.0666 cubic inches. (c) Given that the bat has (constant) weight density 0.60.6 ounces per cubic inch, it follows that the total weight of the bat is W≈0.6⋅52.0666=31.23996W \approx 0.6 \cdot 52.0666 = 31.23996 ounces. (d) If we slice the baseball bat perpendicular to the horizontal axes, we get thin cylindrical disks as cross-sections. At a given xx-location, the amount of weight concentrated there is approximately the weight density (0.60.6 ounces per cubic inch) times the volume of the slice, which is Vtextslice≈πf(x)2V_{text{slice}} \approx \pi f(x)^2. Thus, we see that the amount of weight concentrated at a location xx along the bat is given by ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2, which we can therefore view as being the weight density function for how the weight of the baseball bat is distributed from x=0x = 0 to x=30x = 30. (e) Even though we are dealing with “weight” instead of “mass”, we can compute the center of mass in the usual way since weight differs from mass only by the gravitational constant, and this constant is present in both the numerator and denominator of the center of mass. Thus, using the standard formula, x‾=∫030xρ(x) dx∫030ρ(x) dx\overline{x} = \frac{\int_0^{30} x \rho(x) \ dx}{\int_0^{30} \rho(x) \ dx} so x‾=∫030x⋅0.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫0300.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx=∫030x⋅(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫030(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx≈384.73516.5733=23.21415 ,\begin{aligned}\overline{x} &= \frac{\int_0^{30} x \cdot 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &= \frac{\int_0^{30} x \cdot (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &\approx \frac{384.735}{16.5733} = 23.21415\end{aligned}\,, so the center of mass is just over 2/3 along the length of the bat.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 26번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
200.Active Calculus · 6.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

곡선 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 과 그 그래프 중 제1사분면에서 yy축과 f(x)=0f(x) = 0 을 만족하는 첫 번째 양의 xx 의 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. RR 을 ff 의 이 부분, xx축, yy축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요. xx 와 yy 는 각각 피트 단위로 잰다고 가정하세요.

(a) 좌표축을 시계 방향으로 9090도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만들고, 이 회전체를 저장 탱크로 생각하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하세요. 물을 탱크 꼭대기까지 퍼 올려서 탱크 안의 물의 깊이가 0.50.5 피트가 될 때까지 물을 낮추는 데 필요한 일의 양을 구하세요. (b) 다시 좌표축을 시계 방향으로 90도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 과 RR 을 xx축에 대해 대칭이동한 도형이 함께 길이가 10 피트인 저장 탱크의 한쪽 끝면을 이룬다고 하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 물을 hh 피트만큼 낮추는 데 필요한 일의 양을 나타내는 함수의 식을 구하세요. (c) (b)의 탱크에 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 탱크의 한쪽 끝면에 물이 가하는 수압에 의한 전체 힘을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) and the portion of its graph that lies in the first quadrant between the yy-axis and the first positive value of xx for which f(x)=0f(x) = 0. Let RR denote the region bounded by this portion of ff, the xx-axis, and the yy-axis. Assume that xx and yy are each measured in feet.

(a) Picture the coordinate axes rotated 9090 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR is rotated about the xx axis to form a solid of revolution, and we consider this solid as a storage tank. Suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find the amount of work required to lower the water in the tank until it is 0.50.5 feet deep, by pumping the water to the top of the tank. (b) Again picture the coordinate axes rotated 90 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR, together with its reflection across the xx-axis, forms one end of a storage tank that is 10 feet long. Suppose that the resulting tank is filled completely with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find a formula for a function that tells the amount of work required to lower the water by hh feet. (c) Suppose that the tank described in (b) is completely filled with water. Find the total force due to hydrostatic pressure exerted by the water on one end of the tank.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 주어진 탱크의 그림을 그린다. 아래는 양의 xx축이 아래를 향하도록 한 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) 의 그래프이다. 이 함수는 약 1.845271.84527 에서 처음으로 xx축과 만난다. 제1사분면에 있는 곡선을 양의 xx축에 대해 대칭이동하여 회전체를 만든다. xx축에 수직인 단면은 두께가 △x\triangle x 인 원판이다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 회전되어 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 제1사분면에서 함수 f(x) 이제 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하자. 탱크의 바닥이 1.845271.84527 에 있으므로, 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다는 것은 x=0.34527x = 0.34527 부터 x=1.84527x = 1.84527 까지 물이 있다는 뜻이다. 탱크에 0.50.5 피트가 남을 때까지(즉 x=1.34527x = 1.34527 인 높이까지) 물을 퍼 올리는 데 필요한 일을 구하려면, 먼저 대표적인 조각의 무게를 구해야 하고, 이를 위해서는 그 조각의 부피를 알아야 한다. 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{조각}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 일의 양을 구하기 위해, x=0.34527x = 0.34527 (탱크가 처음에 1.845271.84527 피트까지 가득 차 있을 때 물의 윗면)부터 x=1.34527x = 1.34527 (11 피트를 비운 뒤 물의 높이)까지 각 조각에 한 일을 정적분으로 더한다. 따라서 W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. 이 적분의 값을 구하면 W≈1353.55W \approx 1353.55 피트파운드이다. (b) 탱크를 회전체가 아니라 길이가 10 피트인 탱크의 한쪽 끝면이 위의 이차원 도형인 여물통 모양으로 생각하면, 비슷한 문제가 되지만 조각은 얇은 원판이 아니라 얇은 직육면체 판이 된다. 각 조각은 너비가 2f(x)2 f(x), 길이가 1010 피트, 두께가 △x\triangle x 임에 주목하자. 따라서 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 탱크가 가득 차 있다고 가정하고 물을 hh 피트만큼 낮추려면 x=0x = 0 부터 x=hx = h 까지의 조각을 생각하면 된다. 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 더하면 전체 일은 W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) (b)의 여물통에 대해, 탱크가 가득 찼을 때 한쪽 끝면에 작용하는 전체 수압에 의한 힘을 구하려 한다. 먼저, 위치 xx 에 있는 대표적인 조각은 수면 아래 xx 피트의 깊이에 있고 넓이는 A조각≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△xA_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x 이다. 이 조각 위의 어느 점이든 깊이가 xx 이므로 작용하는 압력은 P조각≈62.4xP_{\text{조각}} \approx 62.4 x 이다. 압력은 물의 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이기 때문이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 힘을 구하기 위해 적분하여 더하면 F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 파운드이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we construct a picture of the tank as described. Below we see a sketch of f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) in the setting where the positive xx-axis points down; note that this function first crosses the xx-axis at about 1.845271.84527. We reflect the curve from the first quadrant across the positive xx-axis to generate a solid of revolution. Cross-sections perpendicular to the xx-axis have thickness △x\triangle x and are circular disks. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. In the first quadrant, the function f(x) We now suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Since the bottom of the tank is at 1.845271.84527, being full to a depth of 1.51.5 feet means that there is water from x=0.34527x = 0.34527 to x=1.84527x = 1.84527. To find the work done to pump the water until 0.50.5 feet remain in the tank (i.e. to a level where x=1.34527x = 1.34527), we have to first find the weight of a typical slice, which requires us to know the volume of such a slice. Observe that for a slice at depth xx, Vslice≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{slice}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. To find the total work accomplished, we use a definite integral to sum the work done on each slice from x=0.34527x = 0.34527 (the top of the water when the tank is initially full to 1.845271.84527 feet) to x=1.34527x = 1.34527 (the height of the water after 11 foot has been emptied). Thus, W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. Evaluating the integral, we find W≈1353.55W \approx 1353.55 foot-pounds. (b) If instead we envision the tank not as a solid of revolution but as a trough, where the two-dimensional figure above forms one end of a tank that is 10 feet long, we now have a similar problem but with slices that are thin rectangular slabs, rather than thin cylindrical disks. Note that each such slice is 2f(x)2 f(x) wide, 1010 feet long, and △x\triangle x thick. Thus, for a slice at depth xx, Vslice≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Assuming that the tank is completely full, to lower the tank by hh feet, we consider slices from x=0x = 0 to x=hx = h, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we find that the total work is W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) For the trough described in (b), we now seek to find the total hydrostatic force on one of the ends of the tank when it is completely full. First, we note that a typical slice at location xx will be at a depth of xx feet below the water and have area Aslice≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x\,. At any point on this slice, which again lies at depth xx, the pressure exerted is Pslice≈62.4xP_{\text{slice}} \approx 62.4 x since pressure is the weight density of water times depth. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find that F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 pounds.

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